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Sammellinse und Zerstreuungslinse

SchulversuchOptikKlasse 7Standard

Worum geht es?

Eine ist gebändigte . Ihre gekrümmten Flächen knicken jeden Strahl so, dass achsenparallele Bündel durch einen Brennpunkt laufen (Sammellinse) oder von einem virtuellen Brennpunkt herzukommen scheinen (Zerstreuungslinse). Damit löst die Sammellinse das Problem der Lochkamera: Sie fängt ein breites Bündel und vereinigt es wieder in einem Punkt. Hell und scharf zugleich, ein reelles Bild.

Warum macht man dieses Experiment?

sind die Arbeitspferde der Optik: Auge, Brille, Kamera, Mikroskop, Beamer, alles Linsen. Wer hier Brennpunkt und Brennweite an der echten Linse erfahren hat, mit dem Fensterbild als Sofort-Messgerät, hat das Fundament für die quantitative Abbildung an der optischen Bank (nächstes ) und für jedes optische Gerät danach.

Die physikalische Idee

Variante 1 erkundet die in drei Schritten: Parallelbündel auf der Winkelscheibe (der Brennpunkt wird sichtbar), Fensterbild auf Papier (die Brennweite ist in Sekunden gemessen), Lupenstellung (Gegenstand innerhalb von f). Variante 2 wiederholt das Programm mit der Zerstreuungslinse und findet systematisch das Gegenteil.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

  • Brechung und Brechzahl (Experiment)
  • Lochkamera und ihr Zielkonflikt (Experiment)
  • Brennpunkt am Hohlspiegel (Experiment)

Wissenschaftliche Einordnung

Geschliffene „Lesesteine“ halfen schon mittelalterlichen Mönchen; um 1300 wurden in Italien die ersten Brillen gefasst. Die Kombination zweier machte um 1600 Fernrohr und Mikroskop möglich, mit Galileis Jupitermonden und Leeuwenhoeks Mikroben als Früchten. Zwei geschliffene Gläser öffneten beide Unendlichkeiten.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Die Sammellinse: Brennpunkt, Fensterbild, Lupe

Weise den Brennpunkt der nach, bestimme ihre Brennweite mit dem Fensterbild-Verfahren und erkunde die Lupenstellung.

Gesucht

  • — Brennweite (in )

    Die Kenngröße der Linse, gemessen als Abstand des scharfen Fernbilds.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Begründet das Verfahren: Für sehr fernes g wird 1g\frac{1}{g} vernachlässigbar, also b≈fb \approx f. Das Fernbild liegt in der Brennebene.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

Schritt 1: Parallelbündel auf die Zylinder-Sammellinse richten und den Brennpunkt nachweisen. Schritt 2: Das Fensterbild der Glaslinse auf Papier scharf stellen und den Abstand dreimal messen. Schritt 3: Einen Text durch die betrachten, die Entfernung steigern und das Lupenverhalten protokollieren.

2Vorbetrachtung

Warum die sammelt: Denk sie dir aus Prismen zusammengesetzt: oben ein Keil mit der Basis nach unten, unten einer mit der Basis nach oben, in der Mitte fast planparalleles Glas. Jeder Keil lenkt zur eigenen Basis, also überall zur Mitte hin. Je weiter außen der Strahl, desto stärker der Keilwinkel und desto stärker der Knick. Das ist genau die Staffelung, die alle Parallelstrahlen in einem einzigen Punkt vereinigt. Die geschliffene Krümmung ist die stufenlose Version dieser Prismentreppe.

Warum das Fensterbild die Brennweite verrät: Von einem sehr fernen Gegenstand (dem Haus gegenüber, den Wolken) kommen die Strahlen praktisch parallel an; die Winkel schrumpfen mit der Entfernung, das kennen wir von der Lochkamera-Geometrie. Parallelstrahlen vereinigt die Linse definitionsgemäß in der Brennebene. Das scharfe Fernbild sitzt also im Abstand f: Messen statt Rechnen.

Die Lupen-Vorhersage: Rückt der Gegenstand innerhalb von f, laufen die Strahlen auch nach der Linse noch auseinander. Kein Treffpunkt, kein reelles Bild. Das Auge verlängert die divergenten Strahlen zurück und sieht ein vergrößertes virtuelles Bild. Die Linse muss also als Lupe arbeiten, bis zum Umschlag bei f.

3Geräte / Stoffe

Fürs Fensterbild einen kontrastreichen fernen Gegenstand wählen, etwa einen Baum oder das Fensterkreuz des Nachbarhauses, mindestens 10 m entfernt. Das Papier senkrecht zur Linsenachse halten.

  • Zylinderlinsen auf Winkelscheibe

    Machen die Strahlverläufe in der Tischebene sichtbar, Sammeln und Zerstreuen zum Nachzeichnen.

  • Sammellinse f ≈ 10 cm

    Der Hauptdarsteller für Fensterbild, Lupe und später die optische Bank.

  • Zerstreuungslinse

    Der Gegenspieler: Rand dick, Mitte dünn, zerstreut statt zu sammeln.

  • Papier und Maßband

    Für das Fensterbild-Verfahren: die Brennweite messen ohne jedes Spezialgerät.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Prismentreppen-Bild der ; daneben das Fensterbild-Verfahren: ferne Strahlen parallel, Vereinigung auf dem Papier bei f.

F′fSammellinse: Parallelstrahlen treffen sich in F′

Die vereinigt achsenparallele Strahlen im Brennpunkt F. Die Brennweite f (von der Linsenmitte bis F) ist ihre wichtigste Kenngröße.

FfZerstreuungslinse: F liegt VOR der Linse

Die Zerstreuungslinse fächert dieselben Strahlen auf. Ihre Rückverlängerungen schneiden sich im virtuellen Brennpunkt vor der Linse.

Aufbau: Leuchte mit Mehrfachspalt und Winkelscheibe, Zylinderlinsen-Modelle (sammelnd und zerstreuend), Glas-Sammellinse (f ≈ 10 cm) und Zerstreuungslinse im Halter, Blatt Papier, Fenster mit Tageslicht, Kerze, Maßband.

5Durchführung

An der Winkelscheibe die Bündelverläufe nachzeichnen und den Schnittpunkt markieren. Beim Fensterbild die zum Fenster richten, das Papier dahinter verschieben, bis es maximal scharf ist, und den Abstand dreimal unabhängig messen. Für die Lupe Buchstaben betrachten, die Linse langsam vom Blatt abheben und die Bildentwicklung bis über 10 cm hinaus beschreiben.

6Beobachtung

Beobachtungen an der Sammellinse
PrüfungErgebnis
Parallelbündel (Zylinderlinse)alle Bündel durch einen Punkt hinter der Linse
Fensterbild-Abstände10,2 / 9,9 / 10,1 cm, im Mittel f ≈ 10,1 cm; das Bild kopfstehend, farbig und klein
Lupe nah am Textaufrechte, vergrößerte Buchstaben
Linse über ~10 cm abgehobendas Bild verschwimmt riesig und kippt dann in ein kopfstehendes, verkleinertes Bild der Umgebung

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Die Brennweite steht: Drei unabhängige Fensterbild-Messungen streuen um kaum drei Millimeter, f≈10 cmf \approx 10\ \mathrm{cm}. In Sekunden gemessen, mit nichts als Papier und Maßband. Das Verfahren lebt von der Linsengleichung im Grenzfall des fernen Gegenstands. Das kopfstehende Mini-Fenster auf dem Papier ist ein reelles Bild, auffangbar, im Gegensatz zu allem, was Spiegel-Rückverlängerungen je lieferten.

Der Vergleich mit der Lochkamera macht die Leistung sichtbar: Auch die Lochkamera malte ein kopfstehendes Fernbild, aber aus einem Nadelloch-Bündel, also dunkel. Die nimmt ein zentimeterbreites Bündel, die tausendfache Lichtmenge, und liefert trotzdem Punktschärfe, weil sie alle Teilstrahlen eines Gegenstandspunkts wieder in einem Bildpunkt vereinigt. Der Zielkonflikt scharf gegen hell ist aufgelöst. Dafür handelt sie sich etwas Neues ein: Nur in einem einzigen Papierabstand ist es scharf, während die Lochkamera überall gleich (un)scharf war. Schärfe hat jetzt eine Ebene, und das „Scharfstellen“ ist geboren.

Der Lupen-Umschlag bei f: Der Kipp-Punkt der Beobachtung liegt genau bei der gemessenen Brennweite: innerhalb Lupe (virtuell, aufrecht, vergrößert), außerhalb Abbildung (reell, kopfstehend). Es ist dieselbe Zweiteilung wie beim Hohlspiegel am Löffel. Sammeloptik hat immer diese zwei Gesichter, getrennt durch f.

8Fazit

Die vereinigt Parallelstrahlen im Brennpunkt (f ≈ 10 cm per Fensterbild), entwirft reelle Bilder aus breiten Bündeln, hell und scharf zugleich, und arbeitet innerhalb der Brennweite als Lupe. Das Lochkamera-Problem ist gelöst; der Preis dafür heißt Scharfstellen.

9Fehlerbetrachtung

Das Fensterbild-Verfahren ist robust, aber seine Grenzen sollte man kennen:

Gegenstand nicht fern genugeher systematisch

Ursache

Bei g = 2 m und f = 10 cm liefert die Linsengleichung b = 10,5 cm; das „Fernbild“ liegt also hinter der Brennebene.

Auswirkung

f wird um einige Prozent zu groß gemessen.

Verbesserung

Einen Gegenstand jenseits von 10 m wählen, dann liegt der Fehler unter einem Prozent.

Schärfemaximum ist eine Zoneeher zufällig

Ursache

Das Auge toleriert leichte Unschärfe.

Auswirkung

±3 mm je Einzelmessung.

Verbesserung

Von beiden Seiten an die Schärfe heranfahren und mitteln (so durchgeführt).

Schiefe Linse oder schiefes Papiereher systematisch

Ursache

Die Bildebene steht nicht senkrecht zur Achse.

Auswirkung

Nur Teile des Bildes werden scharf, und der Abstand ist mehrdeutig.

Verbesserung

und Papier parallel zueinander und senkrecht zur Blicklinie halten.

Das Wichtigste

Sammellinse

Mitte dick (konvex): Achsenparallele Strahlen laufen durch den Brennpunkt. Sie kann reelle, auffangbare Bilder entwerfen und löst damit das Lochkamera-Problem: breites Bündel, trotzdem punktscharf.

Zerstreuungslinse

Rand dick (konkav): Die Strahlen fächern auf, als kämen sie aus einem virtuellen Brennpunkt davor. Sie allein entwirft nie ein reelles Bild; alle Bilder sind virtuell, aufrecht und verkleinert.

Brennweite messen

Das Fensterbild-Verfahren: das Bild eines sehr fernen Gegenstands auf Papier scharf stellen. Der Abstand zwischen und Papier ist die Brennweite, denn Parallelstrahlen aus der Ferne treffen sich bei f.

Lupe

Steht der Gegenstand innerhalb der Brennweite, kann die die Strahlen nicht mehr vereinigen. Es entsteht ein aufrechtes, vergrößertes, virtuelles Bild: die zweite Betriebsart der Sammellinse.

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